JP5304713B2

JP5304713B2 - 炭化珪素単結晶基板、炭化珪素エピタキシャルウェハ、及び薄膜エピタキシャルウェハ

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Publication number: JP5304713B2
Application number: JP2010088730A
Authority: JP
Inventors: 弘克矢代; 泰三星野; 辰雄藤本; 芳生平野; 正史中林; 弘志柘植; 正和勝野; 崇藍郷; 信也佐藤; 渡大橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-04-07
Also published as: JP2011219297A

Description

本発明は、炭化珪素単結晶基板、炭化珪素エピタキシャルウェハ、及び薄膜エピタキシャルウェハに関し、詳しくは、高性能の電子デバイスを製造するのに好適な低抵抗率の炭化珪素単結晶基板であり、また、これを用いた炭化珪素エピタキシャルウェハ、及び薄膜エピタキシャルウェハに関する。

炭化珪素（SiC）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線に強いなどの物理的、化学的性質から、耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波・高耐圧電子デバイス等のウェハとしてSiC単結晶基板の需要が高まっている。しかしながら、大面積を有する高品質のSiC単結晶基板を、工業的規模で安定に供給し得る基板製造技術は、未だ十分に確立されていない。そのためSiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にもかかわらず、その実用化が阻まれていた。

従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法（レーリー法）でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、SiCが有する結晶多形（ポリタイプ）の制御や、不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。一方で、化学気相成長法（CVD法）を用いて珪素（Si）等の異種基板上に、ヘテロエピタキシャル成長させることにより、立方晶のSiC単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約２０％もあることから、積層欠陥等の結晶欠陥が入り易く、高品質のSiC単結晶を得ることは難しい。

これらの問題点を解決するために、SiC単結晶を種結晶として用いて昇華再結晶化を行う改良型のレーリー法が提案され（非特許文献１）、多くの研究機関で実施されている。この方法では、種結晶を用いているため、結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を１００Pa〜１５kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールできる。

そして、上記の改良レーリー法で作製したSiC単結晶から、口径２インチ（50.8mm）から４インチ（101.6mm）のSiC単結晶基板が切り出され、エピタキシャル成長、デバイス作製に供されている。また、例えばSiC単結晶基板をパワーデバイス等の電子デバイスに適用しようとする場合には、通常、SiC単結晶にはｎ型の不純物がドープされ、体積抵抗率（以下、抵抗率とする）の小さな基板が製造される。この際、ｎ型不純物として窒素が使用されるのが一般的であり、実際に窒素のドーピングは、上記の改良レーリー法において、雰囲気ガスであるアルゴン等の不活性ガス中に、窒素ガスを混合させることによって行われる。SiC単結晶中にドープされた窒素原子は、炭素原子位置を置換してドナー（電子供与体）として作用する。

現在、上記のSiC単結晶基板を用いて、SiCパワーデバイス等の試作が精力的に進められているが、現状市販されているSiC単結晶基板の抵抗率は、０．０１５〜０．０２０Ωcm程度と比較的高いため、基板抵抗が素子抵抗に対して無視できない大きさになっている。そのため、基板の抵抗率を下げるために、窒素のドープ量を増やさなければならない。ところが、窒素のドープ量を増やして基板の抵抗率を０．０１２Ωcm以下まで低減すると、今度は、例えば基板を用いたエピタキシャル膜の成長過程等で１０００℃以上の熱処理が施された場合に、単結晶基板中に積層欠陥が多量に発生してしまう問題がある（非特許文献２）。

このような問題に対して、本発明者等は、表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下の表裏面を有した炭化珪素単結晶基板を提案している（特許文献１参照）。低い抵抗率の基板が熱処理されることにより発生する積層欠陥は、機械的応力等によって発生する通常の積層欠陥とは異なる２重構造をした積層欠陥であり、本発明者等は、この２重積層欠陥が基板の表面状態に依存して発生するという知見を得ることに成功した。そのため、先の出願では、低抵抗率の基板の表裏面を所定の表面粗さを有するように研磨することで、高温で熱処理されても、２重積層欠陥が発生しないようにしている。

特開２００８−２９０８９８号公報

Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol.52 (1981) pp.146-150 T. A. Kuhr et al., Journal of Applied Physics, Vol.92 (2002) pp.5863-5871

ところが、本発明者等が提案した特許文献１に係る発明においても、場合によっては、熱処理後の基板内部に積層欠陥が発生してしまうことがあり、技術改良の余地が残されていた。

即ち、研磨工程を改善して基板の表面粗さをいくら小さくしても、積層欠陥が発生することがあり、素子によっては性能が劣化する問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、体積抵抗率が低く、しかも、高温で熱処理されても積層欠陥の発生を可及的に抑えることが出来るようにした炭化珪素単結晶基板を提供することを目的とする。

また、本発明の別の目的は、上記炭化珪素単結晶基板を用いて得た炭化珪素エピタキシャルウェハ、及び薄膜エピタキシャルウェハを提供することにある。

本発明者等は、炭化珪素単結晶基板の表面が所定の表面粗さを有した基板であっても積層欠陥が発生してしまう原因について、更に鋭意研究を重ねた結果、驚くべきことには、基板の外周側面の近傍に存在する基底面転位が起因しており、これが基板のなかで伝播して表裏面の積層欠陥として現れるという新たな知見を得た。これまで、基板の外周側面は、いわゆるエッジ部分の割れや欠けを防止するために、研削砥石を使った研削やベベリングといった面取り加工されるのが通常であるが、新たな知見に基づき、基板の外周側面を表裏面と同じ程度に研磨加工することで、上記のような問題が全て解決されることを見出したため、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下のようである。
（１）体積抵抗率が０．００１Ωcm以上０．０１２Ωcm以下の炭化珪素単結晶基板であり、表裏面のうち少なくとも片面の表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下であると共に、外周側面の表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下であることを特徴とする炭化珪素単結晶基板。
（２）１０００℃以上１８００℃以下の熱負荷を受けた後に、該基板内で観察される基底面積層欠陥密度が３０ｃｍ^-1以下である（１）に記載の炭化珪素単結晶基板。
（３）上記（１）又は（２）に記載の低抵抗率炭化珪素単結晶基板に、炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長してなる炭化珪素エピタキシャルウェハである。
（４）上記（１）又は（２）に記載の低抵抗率炭化珪素単結晶基板に、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム又はこれらの混晶をエピタキシャル成長してなる薄膜エピタキシャルウェハである。

本発明によれば、抵抗率が０．０１２Ωcm以下のように低く、しかも、例えば１０００℃以上の熱処理によっても積層欠陥が発生し難い、低抵抗率の炭化珪素単結晶基板を得ることができる。そして、このような低抵抗率炭化珪素単結晶基板を用いれば、例えば、電気的特性の優れた高周波・高耐圧電子デバイスのほか、光学的特性に優れた青色発光素子等の発光デバイスを好適に製作することができる。

図１は、単結晶成長装置の一例を示す構成図である。図２は、炭化珪素単結晶基板表面（裏面）の表面粗さＲａを求める測定点を説明する平面模式図である。図３は、炭化珪素単結晶基板の外周側面の面粗さＲａを求める測定点を説明する断面模式図である。

先ず、積層欠陥の発生メカニズムについて述べる。体積抵抗率の小さな（0.012Ωcm以下）炭化珪素（SiC）単結晶基板を、例えば１０００℃以上の高温で１〜２時間程アニールすると、SiC単結晶の基底面内に積層欠陥（面状の構造欠陥）が発生することが知られている。この積層欠陥は、機械的応力等によって発生する通常の積層欠陥とは構造が異なっている。機械的応力等によって発生する積層欠陥は、ある１層の分子層の積層位置が、周りと異なった配置を取ることによって形成されるが、低抵抗率のSiC単結晶基板をアニールした際に発生する積層欠陥は、隣り合う２層の分子層が周りとは異なった配置を取る、いわゆる２重積層欠陥であるとされている。このような２重積層欠陥は、電子を捕獲することにより、系全体の自由エネルギーを低下させることが知られており、このことが抵抗率の低い（即ち、電子濃度の高い）SiC単結晶基板において、積層欠陥が発生し易い原因となっている。

通常の積層欠陥は、単結晶中に存在する基底面転位が拡張することによって発生する。SiC単結晶中の基底面転位は、２つの部分転位に分解しており、これら２つの部分転位に挟まれた領域が積層欠陥となる。これら部分転位に何らかの駆動力が働くと（例えば、電子−正孔対が部分転位で再結合すると）、その一方がすべり運動を起こし、部分転位に挟まれた領域、即ち、積層欠陥が拡張する（面積が大きくなる）。これに対し、低抵抗率SiC単結晶基板で観測される２重積層欠陥の場合は、隣接する分子面に存在する基底面転位が対となって拡張することが必要となる（以下、そのように隣接した分子面に存在する基底面転位を「基底面転位対」と呼ぶ）。しかしながら、SiC単結晶中の基底面転位の密度は、多くとも単位面積当り１０⁵ｃｍ^-2程度であり、上記のような基底面転位対が成長結晶中に存在しているとは考え難い。

本発明者らは、先の出願において、上記のような２重積層欠陥の発生が、基板の表面状態に大きく依存していることを見出し、表面粗さが大きくなると、積層欠陥の発生量が増大することを明らかにした。このことは、２重積層欠陥の発生核が、炭化珪素単結晶の成長過程で生じると言うよりも、むしろ、基板加工時に導入される表面損傷層に発生すると考えられる。

一般に、SiC単結晶基板を得るためには、所定の体積抵抗率となるように形成されたSiC単結晶インゴットの外周部分（円柱形のインゴットの側面）を砥石等で研削した後に、板状に切断される。この際、所望の面方位を持った基板が切り出せるよう、切断前にSiC単結晶の結晶方位をＸ線回折により測定し、切断のための基準面を単結晶インゴットに付与しておく。SiC単結晶の切断は、内周刃切断機あるいはマルチ（多重）ワイヤーソー等を用いて行われる。内周刃切断機の場合には、ダイヤモンドが内周に装備されたブレードを高速回転させ、ワーク（SiC単結晶インゴット）を切断する。また、マルチワイヤーソーの場合には、溝を切ったガイドローラー間に、一定張力で張った多重の細線ワイヤーを高速で往復走行させながら、ワークを切断する。多重ワイヤー間の間隔を調整することにより、所望の厚さの基板を多数枚同時に単結晶インゴットから切り出すことができる。通常、砥粒は遊離砥粒の形で供給されるため、ワークに与えるダメージを最小限にすることができ、また、切り代が０．２ｍｍ以下と極めて小さいため、材料歩留りが高く、SiC単結晶のような素材単価の高い材料の切断に適している。

切断工程にて円盤状に加工されたSiC単結晶（基板）は、ベベリング工程にて、回転させながら円盤の周辺、特に角部に砥石を当てて面取りし、ラップ工程により基板の厚さを調整した後、研磨工程に進む。この時点で基板の表面には、表裏面及び外周側面を含めて、加工による表面損傷層が形成される。そこで、本発明では、SiC単結晶基板の表裏面と外周側面とを、それぞれ研磨するようにする。

基板の表裏面の研磨について、好適には、先ずは、砥粒としてダイヤモンドスラリーを用いて、加工損傷層を残さないように、柔らかいポリッシャーで高荷重から低荷重へと研磨していくようにするのが良い。このようなダイヤモンド研磨により、表面粗さＲａを５０ｎｍ〜１ｎｍにすることができる。本発明では、更にメカノケミカル研磨を施し、表裏面を鏡面に仕上げるようにするのが好ましい。この際、SiC単結晶に対してエッチング作用のある液体に、微小粒径のコロイダルシリカを混ぜた研磨液を用いるようにして、低ダメージで高平坦な表面を得るようにするのが良い。また、研磨速度を上げるために、コロイダルシリカスラリーに、過酸化水素水等の酸化促進剤を添加するようにしても良い。

このように、ダイヤモンド研磨及びメカノケミカル研磨を施して、基板の表裏面の表面粗さＲａを１．０ｎｍ以下、好ましくはＲａ０．６ｎｍ以下、より好ましくはＲａ０．３ｎｍ以下になるようにする。表面粗さＲａが１．０ｎｍを超えると、表面近傍の基底面転位対の密度が増加して、高温で熱処理された際に、積層欠陥が発生し易くなる。そのため、表面粗さを、好ましくは０．６ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすれば、熱処理で発生する表面近傍の基底面転位対の密度をさらに低減して、積層欠陥発生を確実に抑制することができる。なお、表面粗さＲａの下限は理論上０ｎｍ（ゼロ）であるが、現状、最も高精度で測定できる原子間力顕微鏡（AFM）の分解性能が実質上の下限になり、例えば０．０１ｎｍ程度であると言われている。

一方、基板の外周側面の研磨は、表裏面の研磨と同様に、砥粒としてダイヤモンドスラリーを用いて、加工損傷層を残さないように、柔らかいポリッシャーで研磨し、更に平坦度を上げるためには、表裏面の場合と同様に、メカノケミカル研磨を行うようにするのが良い。このような研磨処理によって、基板の外周側面の表面粗さＲａを１．０ｎｍ以下、好ましくはＲａ０．６ｎｍ以下、より好ましくはＲａ０．３ｎｍ以下になるようにする。この際、いわゆるエッジ部分での割れや欠けを防止するために、少なくとも表裏面の縁に近い部分は、所定の曲率半径を有するように丸みを付けるようにして、外周側面を端面加工するのが望ましい。なお、表面粗さＲａの下限については、表裏面の場合と同様である。

ところで、基板の外周側面に２重積層欠陥の発生核が存在すると、２重積層欠陥が基底面内を伝搬して基板内部まで拡がることから、本発明では、外周側面の表面粗さＲａが、表裏面の表面粗さＲａと同じか又はそれより小さくなるようにするのが好ましい。

外周側面の研磨は、表裏面の研磨工程の後に行うことができるのは勿論であるが、砥石によるベベリング工程の直後、即ち、厚さを調整するためのラップ工程の前に施し、その後に表裏面の研磨を行うようにしても良い。また、基板の方位を示すオリフラ部分についても、上記のような研磨処理されるようにする。なお、平滑な表裏面又は外周側面を実現する方法は、上述したような研磨法に制限されず、例えばプラズマによる表面処理方法等も所望の平坦度を得ることができれば適用可能である。

表面粗さＲａの測定については特に制限されないが、本発明の基板を評価する上では、下記実施例で用いたように原子間力顕微鏡（AFM）を利用するのが好適である。実施例で評価した表面粗さＲａは、測定面の１０μｍ平方の領域における、算術平均表面粗さＲａを指している。ここで、算術平均粗さとは、下記（１）式で表されるように、ある領域（面積Ｓ）の各点（ｑ）において測定された高さ〔Ｈ(ｑ)〕から平均高さ(Ｈ_av)を算出し、その各測定点の高さ〔Ｈ(ｑ)〕と平均値（Ｈ_av）との間の偏差の絶対値を積分し、平均した値で定義される。

このような原子間力顕微鏡を用いて基板の表裏面の表面粗さＲａを測定する場合、一般には、中心を含めて合計３箇所で測定すれば、その表面又は裏面の平坦度を十分評価できる。好適には、図２に示したように、SiC単結晶基板２１の中心ａ₀と、表面（又は裏面）の縁２２から５〜１０ｍｍの位置（図２で言えばＸ＝５〜１０ｍｍ）にあるａ₁及びａ₂とを、基板の直径Ｒに乗るように選択して測定するのが良く、より好適には、ａ₀、ａ₁及びａ₂が乗る直径Ｒと直交する別の直径Ｒ'上でＸ＝５〜１０ｍｍの位置のａ'₁及びａ'₂を測定し、合計５箇所の測定点で評価するのが良い。

本発明の炭化珪素単結晶基板について、基板の表面及び裏面のいずれもが、任意に直径Ｒを選択して、基板の中心ａ₀と、表面（又は裏面）の縁からＸ＝１０ｍｍの位置のａ₁及びａ₂とを原子間力顕微鏡で測定し（各点では１０μｍ平方の領域を測定）、これら３点の測定結果の全てがＲａ１．０ｎｍ以下、好ましくはＲａ０．６ｎｍ以下、より好ましくはＲａ０．３ｎｍ以下となるようにするのが良い。好適には、任意に直径ＲとＲ'の組み合わせを選択し、Ｘ＝１０ｍｍの場合の５つの測定点（ａ₀、ａ₁、ａ₂、ａ'₁、ａ'₂）の全ての結果がＲａ１．０ｎｍ以下、好ましくはＲａ０．６ｎｍ以下、より好ましくはＲａ０．３ｎｍ以下となるようにするのが良い。

また、基板の外周側面の表面粗さＲａについて、原子間力顕微鏡で測定する場合には、外周側面で任意の箇所を測定し、この測定点に対して、基板直径方向の反対側の側面についても同様に測定すれば、その基板の外周側面の平坦度を十分評価することができる。好適には、互いに直交する２本の直径のそれぞれ両端方向の外周側面にて測定し、評価するのが良い。

本発明の炭化珪素単結晶基板については、基板の直径両端の外周側面において、原子間力顕微鏡で測定し（各点では１０μｍ平方の領域を測定）、両側での測定結果のＲａがいずれも１．０ｎｍ以下である。このように、前記外周面の表面を平滑にすることで、基板の外周側面の近傍に存在する基底面転位が起因して、前記基底面転位が基板のなかで伝播して表裏面の積層欠陥として現れるということを抑制できる。したがって、前記Ｒａが１．０ｎｍを超えると、前記積層欠陥の発生を抑制できない。前記効果を得るためには、好ましくはＲａが０．６ｎｍ以下、より好ましくはＲａが０．３ｎｍ以下となるようにするのが良い。好適には、互いに直交する２本の直径のそれぞれ両端方向の外周側面にて測定し、４方向での測定結果が、全てＲａが１．０ｎｍ以下、好ましくはＲａが０．６ｎｍ以下、より好ましくはＲａが０．３ｎｍ以下となるようにするのが良い。

本発明のSiC単結晶基板は、体積抵抗率が０．００１Ωcm以上０．００１２Ωcm以下である。好ましくは０．００１Ωcm以上０．００９Ωcm以下である。体積抵抗率が０．０１２Ωcmを超えると、デバイス作製に供された場合、基板抵抗が素子抵抗に比して無視できない大きさになるおそれがある。なお、素子特性の観点から、基板の体積抵抗率は、低ければ低い程好ましいが、SiC単結晶中の電気的に活性な不純物には固溶限界があり、実質的に０．００１Ωcmが抵抗率の下限となる。

本発明のような低抵抗率のSiC単結晶基板を得るには、好適には、改良レーリー法によって作製された低抵抗率のSiC単結晶インゴットを切断、研磨することによって製造することができる。改良レーリー法では、種結晶となるSiC単結晶と、原料となるSiC粉末とを、坩堝（通常黒鉛）の中に収納し、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中（133〜13.3kPa）、２０００〜２４００℃程度に加熱する。この際、原料粉末に比して、種結晶がやや低温になるように、温度勾配を設定する。原料は、昇華後、濃度勾配（温度勾配により形成される）により種結晶方向へ拡散、輸送され、種結晶上で再結晶化する。結晶の抵抗率は、不活性ガスからなる雰囲気ガス中に不純物ガスを添加する、あるいはSiC原料粉末中に不純物元素あるいはその化合物を混合することにより、制御可能である。例えばｎ型の低抵抗率SiC単結晶の場合は、アルゴンガス等の雰囲気ガス中に窒素ガスを混入すればよい。なお、SiC単結晶基板へのｎ型不純物のドーピング方法としては、これ以外の方法でも適用可能である。例えば、基板製造後に基板の表面からイオンを注入するようにしてもよく（イオン注入法）、あるいは拡散法によりドーピングした基板であってもよい。

また、本発明のSiC単結晶基板の厚みについては、特に制限はないが、好ましくは０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、より好ましくは０．０５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であるのが良い。基板の厚さが０．４ｍｍを超えると、基板の厚さに起因して基板抵抗が大きくなることがあり、好ましくない。そのため、基板の厚さを０．０５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下にすることによって、基板抵抗を素子抵抗に比してさらに小さくすることができる。なお、素子特性の観点からは、基板は薄ければ薄い程好ましいが、基板のハンドリング性（プロセス中の破損防止等）を考慮すると、基板厚さは実質的には０．０５ｍｍ程度が下限となる。

更に、本発明のSiC単結晶基板の結晶多形（ポリタイプ）については、特に制限はないが、パワーデバイス等の電子デバイスに本発明のSiC単結晶基板を適用することを考えると、４Ｈ型が最も好ましいポリタイプと言える。これは、４Ｈ型ポリタイプのSiC単結晶の電子移動度が、他のポリタイプに比べ大きいため、より高性能のパワーデバイスが作製可能なためである。

上記で述べたような本発明の効果は、その原理から、どのような結晶方位のSiC単結晶基板においても、発現するものと考えられる。パワーデバイス等の製造に用いられるSiC単結晶基板は、｛0001｝面から[11-20]あるいは[1-100]方向に１°以上１２°以下程度のオフセット角を有しているのが一般的であることから、これを適用するのが望ましい。このようなオフセット角を備えるようにする理由は、例えば、パワーデバイス等を作製する際、SiC単結晶基板上にSiC単結晶薄膜をエピタキシャル成長する必要があるためである。但し、その際に｛0001｝面からのオフセット角が１°未満あるいは１２°を超えると、良質のSiCエピタキシャル薄膜を堆積させることが困難になる場合がある。

また、本発明のSiC単結晶基板の口径についても特に制限はないが、SiC半導体素子の製造に用いられることを考慮すれば、５０〜３００ｍｍが望ましい。このような口径であれば、本発明の基板を用いて各種デバイスを製造する際、工業的に確立されている従来の半導体（例えばSi、GaAs等）基板用の製造ラインを使用することができ、量産に適している。

そして、本発明のSiC単結晶基板は、体積抵抗率が０．００１Ωcm以上０．０１２Ωcm以下の炭化珪素単結晶基板であり、しかも、表裏面の表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下であると共に、外周側面の表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下であることから、１０００℃以上１８００℃以下の熱負荷を受けた後に表裏面で観察される基底面積層欠陥密度が３０ｃｍ^-1以下、好適には１０ｃｍ^-1以下にすることができる。これは、既に述べたように、２重積層欠陥の発生核となる基底面転位対が、基板の表裏面と共に外周側面にも殆ど存在しなくなるようにしたことに起因すると考えられる。

例えば、エピタキシャル成長工程（1500〜1600℃、2〜10時間程度）、熱酸化膜形成工程（1000〜1300℃、1〜4時間程度）、イオン注入後の回復アニール工程（1700〜1800℃、数分〜10分程度）等をはじめ、ウエハプロセスにおいてSiC単結晶基板が１０００℃以上に晒されても、積層欠陥が殆ど発生することがなく、高性能の素子製造に用いることができる。そのため、本発明のSiC単結晶基板は、特に大電流、高出力のデバイス製造に好適である。その理由は、例えば素子面積が５ｍｍ角程度の大電流（素子1個当りの電流定格:50〜100アンペア）SiCパワー素子では、基板中の積層欠陥密度が３０ｃｍ^-1超になると、素子中の平均積層欠陥密度が７．５個を超えることになり、素子特性に影響を及ぼすためである。そして、積層欠陥密度が１０ｃｍ^-1以下であれば、上記５ｍｍ角のパワー素子中の平均積層欠陥密度が２．５個以下となり、素子特性への影響をさらに低減できるので好ましい。すなわち、SiC単結晶基板をパワーデバイス等の素子に適用しようとする場合、SiC単結晶基板上にエピタキシャル薄膜を堆積する必要があり、本発明のSiC単結晶基板上にエピタキシャル薄膜を堆積することによって、素子形成部の単結晶が高純度且つ高品質となり、より性能の優れた素子を作製することができる。

SiC単結晶基板上へのエピタキシャル薄膜の形成方法としては、幾つかの方法が考えられる。まず、最も一般的なものは、ＣＶＤ法によるエピタキシャル成長である。ＣＶＤ法では、原料をガスで供給し、この原料ガスを熱、プラズマ等により分解することにより、薄膜を形成する。同じ気相からの成長では、昇華エピタキシー法も適用可能である。この方法では、基板結晶の結晶成長面近傍に置かれた固体原料（単結晶、多結晶、焼結体等）からの昇華ガスを原料として薄膜を成長させる。一方、液相からのエピタキシャル成長も広く行なわれている。原料を含有する液体に基板結晶を浸漬し、原料を徐々に固化させることによりエピタキシャル成長を行う。この他、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、メッキ法等も適用可能と考えられる。

以下、実施例に基づき本発明をより詳細に説明するが、本発明は下記実施例の内容に制限されるものではない。

（実施例１）
図１は、本発明の低抵抗率SiC単結晶基板を得るのに用いるSiC単結晶インゴットを製造するための、改良レーリー法によるSiC単結晶成長装置の一例である。まず、この単結晶成長装置について簡単に説明する。結晶成長は、種結晶として用いたSiC単結晶１の上に、原料であるSiC粉末２を昇華再結晶化させることにより行われる。種結晶のSiC単結晶１は、黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けられる。原料のSiC粉末２は、黒鉛製坩堝３の内部に充填されている。このような黒鉛製坩堝３は、二重石英管５の内部に、黒鉛の支持棒６により設置される。黒鉛製坩堝３の周囲には、熱シールドのための黒鉛製フェルト７が設置されている。二重石英管５は、真空排気装置１３により高真空排気（10^-3Pa以下）することができ、かつ、内部雰囲気をアルゴンガス及び窒素ガスにより圧力制御することができる。また、二重石英管５の外周には、ワークコイル８が設置されており、高周波電流を流すことにより黒鉛製坩堝３を加熱し、原料及び種結晶を所望の温度に加熱することができる。坩堝温度の計測は、坩堝上部及び下部を覆うフェルトの中央部に直径２〜４ｍｍの光路を設け、坩堝上部及び下部からの光を取り出し、二色温度計を用いて行う。坩堝下部の温度を原料温度、坩堝上部の温度を種結晶温度とする。

次に、この結晶成長装置を用いて、本発明のSiC単結晶基板を得るための、低抵抗率SiC単結晶インゴットの製造について説明する。先ず、予め成長しておいたSiC単結晶インゴットから、口径５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの｛0001｝面を主面とした４Ｈ型のSiC単結晶基板を切り出し、研磨後、種結晶１とした。この種結晶１を、黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けた。黒鉛製坩堝３の内部には、原料（SiC粉末）２を充填した。次いで、原料２を充填した黒鉛製坩堝３を、種結晶１を取り付けた蓋４で閉じ、黒鉛製フェルト７で被覆した後、黒鉛製支持棒６の上に乗せ、二重石英管５の内部に設置した。そして、石英管の内部を真空排気した後、ワークコイル８に電流を流し、原料温度を２０００℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとして窒素を４５％含むアルゴンガスを流入させ、石英管内圧力を約８０kPaに保ちながら、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた。成長圧力である１．３kPaには約３０分かけて減圧し、その後、約５０時間成長を続けた。この際の坩堝内の温度勾配は１５℃／ｃｍであり、成長速度は平均で約０．６ｍｍ／時であった。得られた結晶の口径は５１．５ｍｍであり、高さは３０ｍｍ程度であった。こうして得られたSiC単結晶をＸ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈ型のSiC単結晶が成長したことを確認できた。

上記で得られたSiC単結晶インゴットを用いて、以下のようにして実施例１に係るSiC単結晶基板を製造した。先ず、SiC単結晶インゴットの口径が５０．８ｍｍになるまで、砥石を用いて外周研削した後、成長結晶の抵抗率、及び高温熱処理後の積層欠陥密度を評価する目的で、成長したSiC単結晶のインゴットから厚さ０．４０ｍｍの｛0001｝面８°オフセット基板（オフセット方向:[11-20]方向）を数枚切り出した。切り出した基板は、それぞれ、粒度#1000のダイヤモンド砥石を用いて基板の端面を面取りし（ベベリング工程）、その後、０．２０ｋｇ／ｃｍ²の加重をかけながら、鋳鉄製の研磨定盤を４０rpmで回転させて、粒径９μｍのダイヤモンドスラリーを用いて、２時間の両面研磨を行った（ラップ工程）。

次いで、ラップ工程の後に、以下のようにして基板の表裏面を研磨した（仕上げ研磨工程）。研磨としては、酸化促進剤（過酸化水素水）を加えたコロイダルシリカスラリー（フジミインコーポレーテッド社製ＣＯＭＰＯＬ-８０）を用いて、表裏面各々について片面研磨機により４時間ずつ研磨し、基板の表面及び裏面のメカノケミカル研磨を行った。メカノケミカル研磨後の基板の厚さは０．３４ｍｍであった。また、基板の外周側面については、表裏面のメカノケミカル研磨で用いたものと同じコロイダルシリカスラリーを供給しながら、基板の外周側面全面に亘り柔らかいポリッシャーを高速回転させながら押し付け、同時に基板を回転させて、３時間のメカノケミカル研磨を行い、外周側面が丸みを有するように端面加工して、実施例１に係る炭化珪素単結晶基板を完成させた。

上記で得られた炭化珪素単結晶基板の表面と裏面について、それぞれ、以下のようにして原子間力顕微鏡を用いて表面粗さを測定した。図２に示したように、SiC単結晶基板２１の中心ａ₀と、表面（又は裏面）の縁２２からＸ＝１０ｍｍの位置にあるａ₁及びａ₂とを、基板の直径Ｒに乗るように選択し、また、この直径Ｒと直交する別の直径Ｒ'上で、表面（又は裏面）の縁２２からＸ＝１０ｍｍの位置のａ'₁及びａ'₂を選択し、表面と裏面それぞれについて、合計５箇所で１０μｍ平方の領域における算術平均表面粗さＲａを求めた。結果を表１に示す。

一方、基板の外周側面については、図３に示すようにして、原子間力顕微鏡による外周側面の測定点を決めた。先ず、基板２１の表面上で、直径Ｒを含むように、基板の外周に向かって仮想直線Ｌを延ばす。次に、この仮想直線Ｌと基板の表面とが接しなくなる起点２４（即ち、表面の縁２２と交わる点）と、端面加工した外周側面の加工端面の先端２３をこの仮想直線Ｌに投影してできた点２５とを結ぶ線分（24-25）を観念する。そして、この線分（24-25）の中点Ｐを基板２１の加工端面に投影した位置ｂ₂を測定点とした。このような手順に従い、直径Ｒの反対側にあたる外周側面についても測定点ｂ₁を決めた。更に直径Ｒと直交する別の直径Ｒ’についても同様の手順に従って測定点ｂ'₁及びｂ'₂を決めた。このようにして、基板の外周側面について、基板の表面側で計４箇所、裏面側でも同じく計４箇所で、それぞれ１０μｍ平方の領域における算術平均表面粗さＲａを求めた。なお、この外周側面の表面粗さＲａの測定は、チャック装置２６に基板２１を吸着させた状態で、基板の表裏面側から原子間力顕微鏡２７を近づけていき、カンチレバーを用いて測定箇所の情報を得るようにした。結果を表１に示す。

また、ノマルスキー型微分干渉顕微鏡を用いて、上記原子間力顕微鏡により測定した測定点と同様の表面形態を示す領域の面積を見積もり、基板の表面と裏面、及び外周側面について、それぞれの面積あたりで平滑面（表面粗さRa1.0nm以下）が占める割合を求めた。結果を表１に示す。

また、この実施例１に係る炭化珪素単結晶基板の抵抗率を渦電流法により測定したところ、０．００８４Ωcmという値を得た。次に、この基板を高温アニール炉に入れ、１１００℃、２時間のアニール（熱処理試験）を行った。アニール時の雰囲気は、アルゴン雰囲気とした。アニール後、取り出した基板から試料を切り出して約５３０℃の溶融ＫＯＨでエッチングし、光学顕微鏡により積層欠陥に対応するエッチピットを観察した。この際、基板の中心を含んだ領域（中心部）での平均積層欠陥密度は７．１ｃｍ^-1であり、基板外周から中心側に向かって３ｍｍの地点を含んだ領域（外周部）での平均積層欠陥密度は８．１ｃｍ^-1であった。更には、この実施例１に係る別の基板を用いて、アニール温度を１２００℃及び１４００℃にして同様の高温アニールを行ったところ、中心部及び外周部ともに、これらと同程度の平均積層欠陥密度の結果が得られた。

次に、実施例１に係る低抵抗率SiC単結晶基板（上記熱処理試験に用いたものとは別の基板）を用いて、先の熱処理試験と同様の高温アニール（1100℃、2時間のアルゴン雰囲気アニール）を施し、次いで、ＣＶＤ法により炭化珪素膜のエピタキシャル成長実験を行った。この際、SiCエピタキシャル薄膜の成長条件は、成長温度を１５００℃とし、シラン（SiH₄）、プロパン（C₃H₈）、水素（H₂）の流量を、それぞれ５．０×１０^-9m³/sec、３．３×１０^-9m³/sec、５．０×１０^-5m³/secとした。また、成長圧力は大気圧とし、エピタキシャル薄膜は（0001）Si面側に堆積させて、成長時間は２時間として、膜厚として約５μmのSiCエピタキシャル薄膜を成長させた。

SiCエピタキシャル薄膜の成長後、ノマルスキー光学顕微鏡により得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、基板の全面に亘って非常に平滑で、かつ、ピット等の表面欠陥が少ない良好な表面モフォロジーを有するSiCエピタキシャル薄膜が成長されていることが確認された。

この実施例１に係る炭化珪素単結晶基板を得る際に、オフ角度が０°の（0001）面SiC単結晶基板を切り出すようにして、それ以降はこの実施例１と同様にして、基板の表裏面及び外周側面のメカノケミカル研磨まで行って、低抵抗率の炭化珪素単結晶基板を得た。この基板の厚さは０．３２ｎｍであり、先の場合と同様の高温アニールを行い、その上にＧａＮ薄膜を有機金属化学気相成長（MOCVD）法によりエピタキシャル成長させた。エピタキシャル成長面には（0001）Si面を用いた。成長条件は、成長温度１０５０℃とし、トリメチルガリウム（TMG）、アンモニア（NH₃）、シラン（SiH₄）をそれぞれ、５４×１０^-6モル/min、４リットル/min、２２×１０^-11モル/minで流した。また、成長圧力は大気圧とし、成長時間は６０分間で、ｎ型のＧａＮを３μmの膜厚で成長させた。

得られたＧａＮ薄膜の表面状態を調べる目的で、成長表面をノマルスキー光学顕微鏡により観察したところ、基板全面に亘って非常に平滑なモフォロジーが得られ、全面に亘って高品質なＧａＮ薄膜が形成されていることが確認された。

（実施例２）
炭化珪素単結晶基板の表面粗さの影響を確認する目的で、実施例１とは基板の研磨方法を一部変えて、下記のようにして炭化珪素単結晶基板を製造した。先ず、実施例１と同様にして成長させた低い体積抵抗率のSiC単結晶インゴットから、同じ仕様（面方位、厚さ）の基板を数枚切り出し、ベベリング工程、及びラップ工程まで実施例１と同様に行った。

次いで、０．２５ｋｇ／ｃｍ²の加重をかけながら、無酸素銅製の研磨定盤を５０rpmで回転させ、粒度０．５μｍのダイヤモンドスラリーを用いて３時間の研磨を行い、基板の表裏面を研磨加工した。また、基板の表裏面の研磨を行った後、粒度０．５μｍのダイヤモンドスラリーを用いる以外は実施例１と同様にして、基板の外周側面を研磨加工し、厚さ０．３５ｍｍの炭化珪素単結晶基板を得た。

上記で得られた炭化珪素単結晶基板の表面と裏面、及び外周側面について、実施例１と同様にして表面粗さＲａを測定した。また、ノマルスキー型微分干渉顕微鏡を用いて、実施例１と同様にして、基板の表裏面及び外周側面における平滑面（表面粗さRa1.0nm以下）の占める面積割合を求めた。これらの結果を表１に示す。

また、得られた炭化珪素単結晶基板に対し、実施例１と同様の熱処理試験を施し（1100℃、2時間のアルゴン雰囲気アニール）、アニール後の基板の平均積層欠陥密度について、実施例１と同様にして溶融ＫＯＨエッチングにより調べたところ、基板の中心部では２３ｃｍ^-1であり、基板の外周部では１９ｃｍ^-1であった。更に、この実施例２に係る別の基板を用いて、アニール温度を１２００℃及び１４００℃にして同様の高温アニールを行ったところ、中心部及び外周部ともに、これらと同程度の平均積層欠陥密度の結果であることが確認された。

（実施例３）
炭化珪素単結晶基板の体積抵抗率の影響を確認する目的で、実施例１とは、体積抵抗率を変えて炭化珪素単結晶インゴットを作製し、下記のようにして炭化珪素単結晶基板を製造した。先ず、改良レーリー法により炭化珪素単結晶インゴットを製造する際に、雰囲気ガスとして窒素を３３％含むアルゴンガスを流入させて、結晶成長を行った。その後、成長した炭化珪素単結晶インゴットから口径５０．８ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの｛0001｝面８°オフセット基板（オフセット方向:[11-20]方向）を数枚切り出し、以降、ベベリング工程、ラップ工程、及び研磨工程は全て実施例１と同様にして、厚さ０．３５ｍｍの係る炭化珪素単結晶基板を得た。

また、得られた炭化珪素単結晶基板について、実施例１と同様にその体積抵抗率を渦電流法により測定したところ、０．０１１４Ωcmという値を得た。

更に、得られた炭化珪素単結晶基板に対し、実施例１と同様の熱処理試験を施し（1100℃、2時間のアルゴン雰囲気アニール）、アニール後の基板の平均積層欠陥密度について、実施例１と同様にして溶融ＫＯＨエッチングにより調べたところ、基板の中心部では５．０ｃｍ^-1であり、基板の外周部では６．２ｃｍ^-1であった。更に、この実施例３に係る別の基板を用いて、アニール温度を１２００℃及び１４００℃にして同様の高温アニールを行ったところ、中心部及び外周部ともに、これらと同程度の平均積層欠陥密度の結果であることが確認された。

（実施例４）
炭化珪素単結晶基板の厚さの影響を確認する目的で、実施例１とは得られる基板の厚さを変えて、以下のようにして炭化珪素単結晶基板を製造した。先ず、実施例１と同様にして成長させた低抵抗率の炭化珪素単結晶インゴットから、厚さ０．３０ｍｍで切り出した以外は実施例１と同様にした。以降、ベベリング工程、ラップ工程、及び研磨工程は全て実施例１と同様にして、厚さ０．２３ｍｍの炭化珪素単結晶基板を得た。

また、得られた炭化珪素単結晶基板に対し、実施例１と同様の熱処理試験を施し（1100℃、2時間のアルゴン雰囲気アニール）、アニール後の基板の平均積層欠陥密度について、実施例１と同様にして溶融ＫＯＨエッチングにより調べたところ、基板の中心部では７．５ｃｍ^-1であり、基板の外周部では８．７ｃｍ^-1であった。更に、この実施例４に係る別の基板を用いて、アニール温度を１２００℃及び１４００℃にして同様の高温アニールを行ったところ、中心部及び外周部ともに、これらと同程度の平均積層欠陥密度の結果であることが確認された。

（比較例１）
実施例１と同様に成長させた低い体積抵抗率の４Ｈ型炭化珪素単結晶インゴットから、口径５０．８ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの［0001］面SiC単結晶基板（基板のオフセット角度:8°、オフセット方向:［11-20］方向）を数枚切り出し、ベベリング工程、及びラップ工程まで実施例１と同様に行った。

次に、基板の表裏面に対しては実施例１と同様の研磨を行ったが、外周側面については、粒径３μｍのダイヤモンドスラリーを用いたメカニカル研磨を実施し、厚さ０．３５ｍｍの炭化珪素単結晶基板を得た。

また、得られた炭化珪素単結晶基板について、実施例１と同様にその体積抵抗率を渦電流法により測定したところ、０．００８７Ωcmという値を得た。更に、比較例１で得られた炭化珪素単結晶基板に対し、実施例１と同様の熱処理試験を施し（1100℃、2時間のアルゴン雰囲気アニール）、アニール後の基板の平均積層欠陥密度について、実施例１と同様にして溶融ＫＯＨエッチングにより調べたところ、基板の積層欠陥密度については、基板の中心部では値が小さく８．３ｃｍ^-1という結果が得られたが、基板の外周に近づくにつれて、その値は大きくなる傾向が確認され、基板の外周部の積層欠陥密度は８７０ｃｍ^-1という大きな値であった。

次に、上記比較例１に係る低抵抗率SiC単結晶基板（上記熱処理試験に用いたものとは別の基板）を用いて、先の熱処理試験と同様の高温アニール（1100℃、2時間のアルゴン雰囲気アニール）を施し、ＣＶＤ法により炭化珪素膜のエピタキシャル成長実験を行った。この際、SiCエピタキシャル薄膜の成長条件は、成長温度を１５００℃とし、シラン（SiH₄）、プロパン（C₃H₈）、水素（H₂）の流量を、それぞれ５．０×１０^-9m³/sec、３．３×１０^-9m³/sec、５．０×１０^-5m³/secとした。また、成長圧力は大気圧とし、エピタキシャル薄膜は（0001）Si面側に堆積させて、成長時間は６時間として、膜厚として約１５μmのSiCエピタキシャル薄膜を成長させた。

SiCエピタキシャル薄膜の成長後、ノマルスキー光学顕微鏡により得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、基板中の積層欠陥に対応する位置に、多くのエピ欠陥が発生していることが確認された。

また、この比較例１に係る炭化珪素単結晶基板を得る際に、オフ角度が０°の（0001）面SiC単結晶基板を切り出すようにして、それ以降はこの比較例１と同様にして、基板の表裏面をメカノケミカル研磨し、外周側面を粒径３μｍのダイヤモンドスラリーでメカニカル研磨を施した。得られた基板の厚さは０．３２ｎｍであった。そして、先の場合と同様の高温アニールを行い、その上にＧａＮ薄膜を有機金属化学気相成長（MOCVD）法によりエピタキシャル成長させた。エピタキシャル成長面には（0001）Si面を用いた。成長条件は、成長温度１０５０℃とし、トリメチルガリウム（TMG）、アンモニア（NH₃）、シラン（SiH₄）をそれぞれ、５４×１０^-6モル/min、４リットル/min、２２×１０^-11モル/minで流した。また、成長圧力は大気圧とし、成長時間は６０分間で、ｎ型のＧａＮを３μmの膜厚で成長させた。

得られたＧａＮ薄膜の表面状態を調べる目的で、成長表面をノマルスキー光学顕微鏡により観察したところ、基板中の積層欠陥の影響と思われる表面欠陥が基板全面に亘って発生していることが確認された。

（比較例２）
基板外周側面の表面粗さの影響を更に確認する目的で、以下のようにして、比較例２に係る炭化珪素単結晶基板を製造した。先ず、実施例１と同様に成長させた低い体積抵抗率の４Ｈ型炭化珪素単結晶インゴットから、口径５０．８ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの［0001］面SiC単結晶基板（基板のオフセット角度:8°、オフセット方向:［11-20］方向）を数枚切り出し、ベベリング工程、及びラップ工程まで実施例１と同様に行った。

次に、基板の表裏面に対しては実施例１と同様の研磨を行ったが、外周側面については、砥石でベベリングした状態で手を加えず、ベベリング加工後の研磨を行わずに、厚さ０．３５ｍｍの炭化珪素単結晶基板を得た。この炭化珪素単結晶基板について、実施例１と同様にその体積抵抗率を渦電流法により測定したところ、０．００９１Ωcmという値を得た。

更に、比較例２で得られた炭化珪素単結晶基板に対し、実施例１と同様の熱処理試験を施し（1100℃、2時間のアルゴン雰囲気アニール）、アニール後の基板の平均積層欠陥密度について、実施例１と同様にして溶融ＫＯＨエッチングにより調べたところ、基板の積層欠陥密度については、基板の中心部では２７ｃｍ^-1という結果が得られたが、基板の外周に近づくにつれて、その値は大きくなる傾向が確認され、基板の外周部の積層欠陥密度は１００００ｃｍ^-1以上という大きな値であり、更に基板外周から中心側に向かって５ｍｍの地点を含んだ領域（外周部）での平均積層欠陥密度は２４００ｃｍ^-1であった。

１：種結晶(SiC単結晶)
２：SiC粉末原料
３：黒鉛製坩堝
４：黒鉛製坩堝蓋
５：二重石英管
６：支持棒
７：黒鉛製フェルト
８：ワークコイル
９：アルゴンガス配管
１０：アルゴンガス用マスフローコントローラ
１１：窒素ガス配管
１２：窒素ガス用マスフローコントローラ
１３：真空排気装置
２１：炭化珪素単結晶基板
２２：表面(裏面)の縁
２３：加工端面の先端
２４：仮想直線Ｌと表面(裏面)の縁とが交わる点
２５：加工端面先端の投影点
２６：チャック装置
２７：原子間力顕微鏡

Claims

体積抵抗率が０．００１Ωcm以上０．０１２Ωcm以下の炭化珪素単結晶基板であり、表裏面のうち少なくとも片面の表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下であると共に、外周側面の表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下であることを特徴とする炭化珪素単結晶基板。
１０００℃以上１８００℃以下の熱負荷を受けた後に、該基板内で観察される基底面積層欠陥密度が３０ｃｍ^-1以下である請求項１に記載の炭化珪素単結晶基板。
請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶基板に、炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長してなる炭化珪素エピタキシャルウェハ。
請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶基板に、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム又はこれらの混晶をエピタキシャル成長してなる薄膜エピタキシャルウェハ。